Hangi su daha hızlı soğur, sıcak mı soğuk mu? Sıcak su neden soğuk sudan daha hızlı donar?

Bu yazımızda sıcak suyun neden soğuk suya göre daha hızlı donduğu sorusuna bakacağız.

Isıtılmış su, soğuk sudan çok daha hızlı donar! Bilim adamlarının hala kesin bir açıklama bulamadıkları suyun bu muhteşem özelliği, eski çağlardan beri bilinmektedir. Örneğin Aristoteles'te bile kış balıkçılığının bir açıklaması vardır: balıkçılar oltaları buzdaki deliklere sokarlar ve daha hızlı donmaları için buzun üzerine ılık su dökerler. Bu fenomen, adını 20. yüzyılın 60'lı yıllarında Erasto Mpemba'dan almıştır. Mnemba, dondurma yaparken tuhaf bir etki fark etti ve açıklama için fizik öğretmeni Dr. Denis Osborne'a başvurdu. Mpemba ve Dr. Osborne farklı sıcaklıklardaki suyla deneyler yaptılar ve neredeyse kaynayan suyun oda sıcaklığındaki sudan çok daha hızlı donmaya başladığı sonucuna vardılar. Diğer bilim adamları da kendi deneylerini yaptılar ve her seferinde benzer sonuçlar elde ettiler.

Fiziksel bir olgunun açıklaması

Bunun neden olduğuna dair genel kabul görmüş bir açıklama yoktur. Pek çok araştırmacı, asıl meselenin, sıcaklığı donma noktasının altına düştüğünde ortaya çıkan sıvının aşırı soğuması olduğunu öne sürüyor. Başka bir deyişle, eğer su 0°C'nin altındaki bir sıcaklıkta donarsa, aşırı soğutulmuş su örneğin -2°C'lik bir sıcaklığa sahip olabilir ve buza dönüşmeden hala sıvı halde kalabilir. Soğuk suyu dondurmaya çalıştığımızda, önce aşırı soğuma ve bir süre sonra sertleşme ihtimali vardır. Isıtılmış suda diğer işlemler meydana gelir. Buza daha hızlı dönüşmesi konveksiyonla ilişkilidir.

Konveksiyon- bu, bir sıvının sıcak alt katmanlarının yükseldiği ve üst, soğutulmuş katmanların düştüğü fiziksel bir olgudur.

Merhaba sevgili ilginç gerçekleri sevenler. Bugün sizinle bunun hakkında konuşacağız. Ancak başlıkta sorulan sorunun tamamen saçma görünebileceğini düşünüyorum - ancak kesin olarak belirlenmiş bir test deneyine değil, her zaman kötü şöhretli "sağduyuya" tamamen güvenilmeli mi? Sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğunu anlamaya çalışalım mı?

Tarihsel referans

Soğuk ve sıcak suyun dondurulması konusunda Aristoteles'in eserlerinde “her şeyin saf olmadığı”ndan bahsedilmiş, daha sonra F. Bacon, R. Descartes ve J. Black tarafından da benzer notlar alınmıştır. Yakın tarihte bu etkiye "Mpemba Paradoksu" adı verilmiştir; bu isim, aynı soruyu ziyaret eden bir fizik profesörüne soran Tanganyikalı bir öğrenci olan Erasto Mpemba'dan gelmektedir.

Çocuğun sorusu birdenbire ortaya çıkmadı, mutfakta dondurma karışımlarının soğutulması sürecine ilişkin tamamen kişisel gözlemlerden kaynaklandı. Tabii ki, okul öğretmeniyle birlikte orada bulunan sınıf arkadaşları Mpemba'yı güldürdü - ancak Profesör D. Osborne'un bizzat yaptığı deneysel bir testin ardından, Erasto ile dalga geçme arzusu onlardan "buharlaştı". Üstelik Mpemba, bir profesörle birlikte 1969'da Fizik Eğitimi'nde bu etkinin ayrıntılı bir tanımını yayınladı ve o zamandan beri yukarıda bahsedilen isim bilimsel literatürde sabitlendi.

Olayın özü nedir?

Deneyin kurulumu oldukça basittir: Diğer her şey eşit olduğunda, kesinlikle eşit miktarda su içeren ve yalnızca sıcaklıkları farklı olan aynı ince duvarlı kaplar test edilir. Kaplar buzdolabına yüklenir ve ardından her birinde buz oluşana kadar geçen süre kaydedilir. Buradaki paradoks, başlangıçta daha sıcak bir sıvıya sahip bir kapta bunun daha hızlı gerçekleşmesidir.

Modern fizik bunu nasıl açıklıyor?

Paradoksun evrensel bir açıklaması yoktur, çünkü katkısı belirli başlangıç koşullarına bağlı olarak değişebilen birkaç paralel süreç bir arada meydana gelir - ancak tek tip bir sonuçla:

bir sıvının aşırı soğuma yeteneği - başlangıçta soğuk su aşırı soğumaya daha yatkındır, yani. sıcaklığı zaten donma noktasının altında olduğunda sıvı kalır
hızlandırılmış soğutma - sıcak sudan gelen buhar, buz mikro kristallerine dönüştürülür; bu, geri düştüğünde süreci hızlandırır ve ek bir "harici ısı eşanjörü" olarak çalışır.
yalıtım etkisi - sıcak suyun aksine, soğuk su yukarıdan donar, bu da konveksiyon ve radyasyon yoluyla ısı transferinde azalmaya yol açar

Bir takım başka açıklamalar da var (İngiliz Kraliyet Kimya Derneği'nin en son 2012'de en iyi hipotez için yarışma düzenlediği son seferdi) - ancak girdi koşullarının tüm kombinasyon durumları için hala kesin bir teori yok...

Su, alışılmadık özelliklere sahip, dünyadaki en şaşırtıcı sıvılardan biridir. Örneğin katı bir sıvı olan buzun özgül ağırlığı suyun kendisinden daha düşük olup, bu da Dünya'da yaşamın ortaya çıkmasını ve gelişmesini büyük ölçüde mümkün kılmıştır. Ayrıca sözde bilimsel ve bilimsel dünyada hangi suyun daha hızlı donduğu - sıcak mı soğuk mu olduğu konusunda tartışmalar var. Sıcak sıvının belirli koşullar altında daha hızlı donduğunu kanıtlayan ve çözümünü bilimsel olarak kanıtlayan kişi, İngiliz Kraliyet Kimyagerler Derneği'nden 1.000 £ ödül alacak.

Arka plan

Bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğu Orta Çağ'da fark edilmişti. Francis Bacon ve René Descartes bu olguyu açıklamak için çok çaba harcadılar. Ancak klasik ısı mühendisliği açısından bakıldığında bu paradoks açıklanamaz ve utanarak örtbas edilmeye çalışılır. Tartışmanın devam etmesinin nedeni, 1963 yılında Tanzanyalı öğrenci Erasto Mpemba'nın başına gelen ilginç bir hikayeydi. Bir gün, aşçı okulunda tatlı yapma dersi sırasında, dikkati başka şeylerden dağılan çocuğun, dondurma karışımını zamanında soğutmak ve sütteki sıcak şeker çözeltisini dondurucuya koymak için zamanı olmadı. Ürünün, dondurma hazırlamak için sıcaklık rejimini gözlemleyen öğrenci arkadaşlarına göre biraz daha hızlı soğuması onu şaşırttı.

Olgunun özünü anlamaya çalışan çocuk, ayrıntılara girmeden mutfak deneyleriyle alay eden bir fizik öğretmenine döndü. Ancak Erasto kıskanılacak bir azimle öne çıktı ve deneylerine süt üzerinde değil su üzerinde devam etti. Bazı durumlarda sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğuna ikna oldu.

Dar es Salaam Üniversitesi'ne giren Erasto Mpembe, Profesör Denis G. Osborne'un dersine katıldı. Tamamlandıktan sonra öğrenci, bilim adamını suyun sıcaklığına bağlı olarak donma hızıyla ilgili bir problemle şaşırttı. D.G. Osborne, soğuk suyun daha hızlı donacağını her zavallı öğrencinin bildiğini özgüvenle ilan ederek sorunun sorulmasıyla alay etti. Ancak genç adamın doğal azmi kendini hissettirdi. Profesörle burada, laboratuvarda deneysel bir test yapılması konusunda iddiaya girdi. Erasto dondurucuya biri 95°F (35°C), diğeri 212°F (100°C) sıcaklıkta olmak üzere iki kap su koydu. İkinci kaptaki su daha hızlı donduğunda profesörün ve çevredeki "hayranların" şaşkınlığını hayal edin. O zamandan beri bu olguya “Mpemba Paradoksu” adı verildi.

Ancak bugüne kadar “Mpemba Paradoksu”nu açıklayan tutarlı bir teorik hipotez mevcut değil. Hangi dış faktörlerin, suyun kimyasal bileşiminin, içindeki çözünmüş gazların ve minerallerin varlığının, sıvıların farklı sıcaklıklarda donma oranını etkilediği açık değildir. “Mpemba Etkisi”nin paradoksu, I. Newton'un keşfettiği, suyun soğuma süresinin, sıvı ile ortam arasındaki sıcaklık farkıyla doğru orantılı olduğunu belirten yasalardan biriyle çelişmesidir. Ve eğer diğer tüm sıvılar bu yasaya tamamen uyuyorsa, bazı durumlarda su bir istisnadır.

Sıcak su neden daha hızlı donar?T

Sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğunun birkaç versiyonu vardır. Başlıcaları şunlardır:

sıcak su daha hızlı buharlaşırken hacmi azalır ve daha küçük hacimli sıvı daha hızlı soğur - suyu +100°C'den 0°C'ye soğuturken, atmosferik basınçtaki hacimsel kayıplar %15'e ulaşır;
sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa, sıcaklık farkı o kadar büyük olur, sıvı ile çevre arasındaki ısı alışverişinin yoğunluğu o kadar yüksek olur, dolayısıyla kaynar suyun ısı kaybı daha hızlı gerçekleşir;
sıcak su soğuduğunda yüzeyinde bir buz kabuğu oluşur, bu da sıvının tamamen donmasını ve buharlaşmasını engeller;
yüksek su sıcaklıklarında konveksiyon karışımı meydana gelir ve donma süresi azalır;
Suda çözünen gazlar donma noktasını düşürür, kristal oluşumu için gereken enerjiyi ortadan kaldırır; sıcak suda çözünmüş gaz yoktur.

Tüm bu koşullar deneysel olarak defalarca test edilmiştir. Özellikle Alman bilim adamı David Auerbach, sıcak suyun kristalleşme sıcaklığının soğuk suya göre biraz daha yüksek olduğunu, bunun da sıcak suyun daha hızlı donmasını mümkün kıldığını keşfetti. Ancak daha sonra deneyleri eleştirildi ve birçok bilim adamı, hangi suyun (sıcak veya soğuk) daha hızlı donacağını belirleyen "Mpemba Etkisi"nin yalnızca şimdiye kadar kimsenin aramadığı ve belirtmediği belirli koşullar altında yeniden üretilebileceğine ikna oldu.

1963'te Erasto Mpemba adlı Tanzanyalı bir öğrenci öğretmenine aptalca bir soru sordu: Dondurucusundaki sıcak dondurma neden soğuk olandan daha hızlı dondu?

Tanzanya'daki Magambi Lisesi öğrencisi olan Erasto Mpemba, aşçı olarak pratik çalışmalar yaptı. Ev yapımı dondurma yapması gerekiyordu - sütü kaynatın, içindeki şekeri çözün, oda sıcaklığına soğutun ve ardından donması için buzdolabına koyun. Görünüşe göre Mpemba pek çalışkan bir öğrenci değildi ve görevin ilk bölümünü tamamlamayı geciktirdi. Dersin sonuna yetişemeyeceğinden korktuğu için hala sıcak sütü buzdolabına koydu. Şaşırtıcı bir şekilde, yoldaşlarının verilen teknolojiye göre hazırlanan sütünden bile daha erken dondu.

Açıklama için fizik öğretmenine döndü ama öğrenciye sadece güldü ve şunları söyledi: "Bu evrensel fizik değil, Mpemba fiziği." Bundan sonra Mpemba sadece sütle değil aynı zamanda sıradan suyla da deneyler yaptı.

Her halükarda, zaten Mkwava Ortaokulunda bir öğrenci olarak, Dar Es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (öğrencilere fizik üzerine bir ders vermek üzere okul müdürü tarafından davet edilmiştir) özellikle su hakkında sorular sordu: "Eğer Eşit hacimde su içeren iki özdeş kap, birinde suyun sıcaklığı 35°C, diğerinde - 100°C olacak ve bunları dondurucuya koyun, ikincisinde su daha hızlı donacaktır. Neden?" Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını Fizik Eğitimi dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkiye Mpemba etkisi adı verildi.

Bunun neden olduğunu bilmek ister misiniz? Sadece birkaç yıl önce bilim insanları bu olguyu açıklamayı başardılar...

Mpemba Etkisi (Mpemba Paradoksu), donma işlemi sırasında soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerekmesine rağmen, bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu belirten bir paradokstur. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğuması için daha fazla zaman harcadığı şeklindeki alışılagelmiş fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu olgu kendi zamanlarında Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti. Şu ana kadar hiç kimse bu garip etkinin nasıl açıklanacağını tam olarak bilmiyor. Pek çok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yok. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farklılıkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz belli değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisindeki fark. farklı sıcaklıklar. Mpemba etkisinin paradoksu, bir cismin ortam sıcaklığına kadar soğuma süresinin, bu cisim ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturuldu ve o zamandan beri pratikte birçok kez doğrulandı. Bu etkide sıcaklığı 100°C olan su, aynı miktardaki 35°C sıcaklıktaki sudan 0°C daha hızlı soğur.

O zamandan beri, farklı versiyonlar ifade edildi, bunlardan biri şuydu: Sıcak suyun bir kısmı önce basitçe buharlaşır, daha sonra daha az kaldığında su daha hızlı donar. Bu versiyon, sadeliği nedeniyle en popüler hale geldi, ancak bilim adamlarını tam olarak tatmin etmedi.

Şimdi kimyager Xi Zhang liderliğindeki Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğuna dair asırlık gizemi çözdüklerini söylüyor. Çinli uzmanların keşfettiği gibi işin sırrı, su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarında depolanan enerji miktarında yatıyor.

Bildiğiniz gibi su molekülleri, parçacık düzeyinde elektron alışverişine benzeyen, kovalent bağlarla bir arada tutulan bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşur. İyi bilinen bir başka gerçek, hidrojen atomlarının komşu moleküllerdeki oksijen atomlarına çekilmesidir - hidrojen bağları oluşur.

Aynı zamanda su molekülleri genel olarak birbirini iter. Singapurlu bilim adamları şunu fark etti: Su ne kadar sıcaksa, itici kuvvetlerdeki artış nedeniyle sıvının molekülleri arasındaki mesafe de o kadar büyük olur. Sonuç olarak hidrojen bağları gerilir ve dolayısıyla daha fazla enerji depolanır. Bu enerji su soğuduğunda açığa çıkar; moleküller birbirine yaklaşır. Ve bilindiği gibi enerjinin açığa çıkması soğutma anlamına gelir.

İşte bilim adamlarının öne sürdüğü varsayımlar:

Buharlaşma

Sıcak su kaptan daha hızlı buharlaşır, böylece hacmi azalır ve aynı sıcaklıkta daha küçük hacimli su daha hızlı donar. 100°C'ye ısıtılan su, 0°C'ye soğutulduğunda kütlesinin %16'sını kaybeder. Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Öncelikle soğutma için gerekli olan su kütlesi azalır. İkincisi buharlaşma nedeniyle sıcaklığı düşer.

Sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle bu durumda ısı alışverişi daha yoğun olur ve sıcak su daha hızlı soğur.

Hipotermi
Su 0°C'nin altına soğuduğunda her zaman donmaz. Bazı koşullar altında aşırı soğumaya maruz kalabilir ve donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam edebilir. Bazı durumlarda su -20°C sıcaklıkta bile sıvı halde kalabilir. Bu etkinin nedeni ilk buz kristallerinin oluşmaya başlayabilmesi için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda mevcut değillerse, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar aşırı soğutma devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar, sulu kar buzları oluşturacaklar ve bu da donarak buz oluşturacak. Sıcak su, hipotermiye en duyarlı olanıdır çünkü ısıtmak, çözünmüş gazları ve kabarcıkları uzaklaştırır ve bunlar da buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilir. Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir: yüzeyinde, su ile soğuk hava arasında yalıtkan görevi gören ve böylece daha fazla buharlaşmayı önleyen ince bir buz tabakası oluşur. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha düşük olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder. Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybı olur ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur. Bu etkiyi araştıran birçok araştırmacı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.
Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar. Bu etki su yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4°C'dedir. Suyu 4°C'ye soğutup daha düşük sıcaklıktaki bir ortama koyarsanız suyun yüzey tabakası daha hızlı donacaktır. Bu su, 4°C'deki sudan daha az yoğun olduğundan yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında kısa sürede su yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası yalıtkan görevi görerek suyun alt katmanlarını koruyacak ve 4°C sıcaklıkta kalacaktır. . Bu nedenle daha sonraki soğutma işlemi daha yavaş olacaktır. Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle suyun yüzey tabakası daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğun olduğundan soğuk su katmanı aşağıya doğru çökerek sıcak su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu dolaşımı sıcaklığın hızlı bir şekilde düşmesini sağlar. Peki bu süreç neden bir denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4°C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin devam ettiğini varsaymak gerekir. Ancak soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyon süreciyle ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.

Suda çözünmüş gazlar

Su her zaman içinde çözünmüş gazlar içerir - oksijen ve karbondioksit. Bu gazlar suyun donma noktasını düşürme özelliğine sahiptir. Su ısıtıldığında bu gazlar sudan açığa çıkar çünkü yüksek sıcaklıklarda sudaki çözünürlükleri daha düşüktür. Bu nedenle sıcak su soğuduğunda, ısıtılmamış soğuk suya göre her zaman daha az çözünmüş gaz içerir. Bu nedenle ısıtılan suyun donma noktası daha yüksek olur ve daha hızlı donar. Bu gerçeği doğrulayan hiçbir deneysel veri olmamasına rağmen, bu faktör bazen Mpemba etkisini açıklamada ana faktör olarak kabul edilir.

Termal iletkenlik

Bu mekanizma, suyun buzdolabı bölmesi dondurucusuna küçük kaplar halinde yerleştirilmesi durumunda önemli bir rol oynayabilir. Bu koşullar altında, bir sıcak su kabının alttaki dondurucudaki buzu erittiği, böylece dondurucu duvarı ile termal teması ve termal iletkenliği iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, sıcak su kabındaki ısı, soğuk olana göre daha hızlı uzaklaştırılır. Buna karşılık, soğuk su dolu bir kap, altındaki karı eritmez. Tüm bu koşullar (aynı zamanda diğer) birçok deneyde incelendi, ancak hangisinin Mpemba etkisinin% 100 yeniden üretilmesini sağladığı sorusuna kesin bir cevap hiçbir zaman elde edilemedi. Örneğin 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğumuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu ve dolayısıyla soğuk sudan daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğumuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder. Ayrıca Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma elde edebildiğine ilişkin önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünen gazlar uzaklaştırılır, kaynatıldığında ise içinde çözünen bazı tuzlar çöker. Şimdilik tek bir şey söylenebilir: Bu etkinin yeniden üretilmesi büyük ölçüde deneyin yapıldığı koşullara bağlıdır. Tam da her zaman çoğaltılmadığı için.

Ama dedikleri gibi, en olası sebep.

Kimyagerlerin ön baskı web sitesi arXiv.org'da bulunabilecek makalelerinde yazdıklarına göre, hidrojen bağları sıcak suda soğuk suya göre daha güçlüdür. Böylece sıcak suyun hidrojen bağlarında daha fazla enerji depolandığı ortaya çıkıyor, bu da sıfırın altındaki sıcaklıklara soğutulduğunda daha fazla enerjinin açığa çıktığı anlamına geliyor. Bu nedenle sertleşme daha hızlı gerçekleşir.

Bilim insanları bugüne kadar bu gizemi yalnızca teorik olarak çözdüler. Kendi versiyonlarına dair ikna edici kanıtlar sunduklarında, sıcak suyun neden soğuk sudan daha hızlı donduğu sorusu kapanmış sayılabilir.

Mpemba etkisi(Mpemba Paradoksu) - bazı koşullar altında sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donduğunu, ancak donma sürecinde soğuk suyun sıcaklığını geçmesi gerektiğini belirten bir paradoks. Bu paradoks, aynı koşullar altında daha fazla ısıtılmış bir cismin belirli bir sıcaklığa soğuması için daha az ısıtılmış bir cismin aynı sıcaklığa soğuması için daha fazla zaman harcadığı şeklindeki alışılagelmiş fikirlerle çelişen deneysel bir gerçektir.

Bu fenomen bir zamanlar Aristoteles, Francis Bacon ve Rene Descartes tarafından fark edilmişti, ancak Tanzanyalı okul çocuğu Erasto Mpemba ancak 1963'te sıcak bir dondurma karışımının soğuk olandan daha hızlı donduğunu keşfetti.

Bundan sonra Mpemba sadece sütle değil aynı zamanda sıradan suyla da deneyler yaptı. Her halükarda, zaten Mkwava Ortaokulunda bir öğrenci olarak, Dar Es Salaam'daki Üniversite Koleji'nden Profesör Dennis Osborne'a (öğrencilere fizik üzerine bir ders vermek üzere okul müdürü tarafından davet edilmiştir) özellikle su hakkında sorular sordu: "Eğer Eşit hacimde su içeren iki özdeş kap, birinde suyun sıcaklığı 35°C, diğerinde - 100°C olacak ve bunları dondurucuya koyun, ikincisinde su daha hızlı donacaktır. Neden? Osborne bu konuyla ilgilenmeye başladı ve kısa süre sonra 1969'da o ve Mpemba deneylerinin sonuçlarını Fizik Eğitimi dergisinde yayınladılar. O zamandan beri keşfettikleri etkinin adı Mpemba etkisi.

Şu ana kadar hiç kimse bu garip etkinin nasıl açıklanacağını tam olarak bilmiyor. Pek çok olmasına rağmen bilim adamlarının tek bir versiyonu yok. Her şey sıcak ve soğuk suyun özelliklerindeki farklılıkla ilgili, ancak bu durumda hangi özelliklerin rol oynadığı henüz belli değil: aşırı soğutma, buharlaşma, buz oluşumu, konveksiyon veya sıvılaştırılmış gazların su üzerindeki etkisindeki fark. farklı sıcaklıklar.

Mpemba etkisinin paradoksu, bir cismin ortam sıcaklığına kadar soğuma süresinin, bu cisim ile çevre arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı olması gerektiğidir. Bu yasa Newton tarafından oluşturuldu ve o zamandan beri pratikte birçok kez doğrulandı. Bu etkide sıcaklığı 100°C olan su, aynı miktardaki 35°C sıcaklıktaki sudan 0°C daha hızlı soğur.

Ancak Mpemba etkisi bilinen fizik çerçevesinde açıklanabildiği için bu henüz bir paradoks anlamına gelmiyor. Mpemba etkisine ilişkin bazı açıklamalar şunlardır:

Buharlaşma

Buharlaşma etkisi ikili bir etkidir. Öncelikle soğutma için gerekli olan su kütlesi azalır. İkincisi ise su fazından buhar fazına geçişin buharlaşma ısısının azalması nedeniyle sıcaklık düşer.

Sıcaklık farkı

Sıcak su ile soğuk hava arasındaki sıcaklık farkının daha fazla olması nedeniyle bu durumda ısı alışverişi daha yoğun olur ve sıcak su daha hızlı soğur.

Hipotermi

Su 0 C'nin altına soğuduğunda her zaman donmaz. Bazı koşullar altında aşırı soğumaya maruz kalabilir ve donma noktasının altındaki sıcaklıklarda sıvı kalmaya devam edebilir. Bazı durumlarda su –20 C sıcaklıkta bile sıvı kalabilmektedir.

Bu etkinin nedeni ilk buz kristallerinin oluşmaya başlayabilmesi için kristal oluşum merkezlerine ihtiyaç duyulmasıdır. Sıvı suda mevcut değillerse, sıcaklık kristallerin kendiliğinden oluşmaya başlamasına yetecek kadar düşene kadar aşırı soğutma devam edecektir. Aşırı soğutulmuş sıvı içinde oluşmaya başladıklarında, daha hızlı büyümeye başlayacaklar, sulu kar buzları oluşturacaklar ve bu da donarak buz oluşturacak.

Sıcak su, hipotermiye en duyarlı olanıdır çünkü ısıtmak, çözünmüş gazları ve kabarcıkları uzaklaştırır ve bunlar da buz kristallerinin oluşumu için merkez görevi görebilir.

Hipotermi neden sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olur? Aşırı soğutulmamış soğuk su durumunda aşağıdakiler meydana gelir. Bu durumda kabın yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır. Bu buz tabakası su ile soğuk hava arasında yalıtkan görevi görecek ve daha fazla buharlaşmayı önleyecektir. Bu durumda buz kristallerinin oluşma hızı daha düşük olacaktır. Aşırı soğutmaya maruz kalan sıcak su durumunda, aşırı soğutulmuş suyun koruyucu bir yüzey buz tabakası yoktur. Bu nedenle üstü açık olduğundan ısıyı çok daha hızlı kaybeder.

Aşırı soğutma işlemi sona erdiğinde ve su donduğunda çok daha fazla ısı kaybı olur ve dolayısıyla daha fazla buz oluşur.

Bu etkiyi araştıran birçok araştırmacı, Mpemba etkisi durumunda hipoterminin ana faktör olduğunu düşünmektedir.

Konveksiyon

Soğuk su yukarıdan donmaya başlar, böylece ısı radyasyonu ve konveksiyon süreçleri ve dolayısıyla ısı kaybı kötüleşir, sıcak su ise aşağıdan donmaya başlar.

Bu etki su yoğunluğundaki bir anormallik ile açıklanmaktadır. Suyun maksimum yoğunluğu 4 C'dedir. Suyu 4 C'ye soğutup daha düşük bir sıcaklığa koyarsanız suyun yüzey tabakası daha hızlı donacaktır. Bu su, 4 C sıcaklıktaki sudan daha az yoğun olduğundan yüzeyde kalacak ve ince, soğuk bir tabaka oluşturacaktır. Bu koşullar altında kısa sürede suyun yüzeyinde ince bir buz tabakası oluşacaktır ancak bu buz tabakası yalıtkan görevi görerek suyun alt katmanlarını koruyacak ve 4 C sıcaklıkta kalacaktır. Bu nedenle daha sonraki soğutma işlemi daha yavaş olacaktır.

Sıcak su durumunda ise durum tamamen farklıdır. Buharlaşma ve daha büyük sıcaklık farkı nedeniyle suyun yüzey tabakası daha hızlı soğuyacaktır. Ayrıca soğuk su katmanları sıcak su katmanlarından daha yoğun olduğundan soğuk su katmanı aşağıya doğru çökerek sıcak su katmanını yüzeye çıkarır. Suyun bu dolaşımı sıcaklığın hızlı bir şekilde düşmesini sağlar.

Peki bu süreç neden bir denge noktasına ulaşmıyor? Mpemba etkisini konveksiyon açısından bu bakış açısıyla açıklamak için, soğuk ve sıcak su katmanlarının ayrıldığını ve ortalama su sıcaklığı 4 C'nin altına düştükten sonra konveksiyon sürecinin devam ettiğini varsaymak gerekir.

Ancak soğuk ve sıcak su katmanlarının konveksiyon süreciyle ayrıldığına dair bu hipotezi destekleyecek hiçbir deneysel kanıt yoktur.

Suda çözünmüş gazlar

Termal iletkenlik

Tüm bu koşullar (aynı zamanda diğer) birçok deneyde incelendi, ancak hangisinin Mpemba etkisinin yüzde yüz yeniden üretimini sağladığı sorusuna net bir cevap hiçbir zaman elde edilemedi.

Örneğin 1995 yılında Alman fizikçi David Auerbach suyun aşırı soğumasının bu etki üzerindeki etkisini inceledi. Aşırı soğumuş bir duruma ulaşan sıcak suyun, soğuk sudan daha yüksek bir sıcaklıkta donduğunu ve dolayısıyla soğuk sudan daha hızlı donduğunu keşfetti. Ancak soğuk su, aşırı soğumuş duruma sıcak sudan daha hızlı ulaşır ve böylece önceki gecikmeyi telafi eder.

Ayrıca Auerbach'ın sonuçları, sıcak suyun daha az kristalizasyon merkezi nedeniyle daha fazla aşırı soğutma elde edebildiğine ilişkin önceki verilerle çelişiyordu. Su ısıtıldığında içinde çözünen gazlar uzaklaştırılır, kaynatıldığında ise içinde çözünen bazı tuzlar çöker.

Şimdilik tek bir şey söylenebilir - bu etkinin yeniden üretilmesi büyük ölçüde deneyin gerçekleştirildiği koşullara bağlıdır. Tam da her zaman çoğaltılmadığı için.

O. V. Mosin

Edebikaynaklar:

"Sıcak su, soğuk sudan daha hızlı donar. Neden böyle yapıyor?", Jearl Walker, The Amatör Bilim Adamı, Scientific American, Cilt. 237, Hayır. 3, sayfa 246-257; Eylül, 1977.

"Sıcak ve Soğuk Suyun Donması", G.S. Kell, American Journal of Physics, Cilt. 37, Hayır. 5, sayfa 564-565; Mayıs 1969.

"Süper soğutma ve Mpemba etkisi", David Auerbach, American Journal of Physics, Cilt. 63, Hayır. 10, sayfa 882-885; Ekim 1995.

"Mpemba etkisi: Sıcak ve soğuk suyun donma süreleri", Charles A. Knight, American Journal of Physics, Cilt. 64, Hayır. 5, sayfa 524; Mayıs 1996.